电容正常运作时是毫无问题的,但有时会遇上电源故障或无法正常运转的问题。如果这个问题是噪声,那么有个简单的解决办法,只需加入更多的电容即可。但如果这样也无法解决,究竟是哪出错了呢?

 

问题的根源就在于我们理所当然地将电容看为了理想设备,但它们并非如此。这些非预期的结果都是因为内部电阻,或者称为等效串联电阻(ESR)。因为其内部构造的材料,电容拥有有限的内部阻值。同样的还有等效电感(ESL)。

 

不同种类的电容有着不同的 ESR 范围。比如电解电容一般比陶瓷电容的 ESR 要高。如今许多应用中,得到电容的等效电阻也成了重要的设计因素之一。本次我们将用 555 定时器和三极管来测量电容的 ESR。

 

 

电容 ESR 测量

ESR 测量看起来很简单,施加恒定电流并测量设备的压降可以计算出阻值。

 

如果我们将恒定电流施加到电容上呢?电压线性增加,最后定值到输入电压,这样的值对计算 ESR 是毫无用处的。

 

这时候我们要想一下我们在学校里听到的一句话 -“电容隔直流通交流”

 

简化后我们可以将电容理解为高频下的短路,其容性部分从电路中切断,而剩下的电压则施加在内部电阻上。

 

这一方法的优势在于如果我们知道信号源内阻时,就不需要了解电流值为多少,因为 ESR 和信号源内阻组成了分压器,其阻值比例及电压比例,知道其中三个参数就可以知道剩下的一个参数。

 

我们用示波器来测量输入和电容上的波形。

 

所需元器件

示波器端


555 定时器——CMOS 和三极管的都可以,但高频的话建议用 CMOS。


100kΩ电位计——用于调整频率


1nF 电容——控制时间


10uF 陶瓷电容——去耦

 

功率级:


BC548 NPN 三极管


BC558 PNP 三极管


在选择三极管的时候需要注意——任何高增益的小信号三极管并能承受大电流(50mA 以上)都可以


560Ω电阻


47Ω输出电阻——可以选取 10Ω到 100Ω范围内的电阻

 

电路图

 

 

ESR 测量电路可以被分为两个部分,555 定时器和输出级。

 

1.555 定时器
555 定时器是一个传统的非稳态多谐振荡器,可以产生几百 kHz 的方波。这个频率下,近乎所有电容都等同于短路。而 100kΩ的电位计可以让我们在电容上得到尽可能低的电压值。

 

2. 功率级
我们可以将电容直接与 555 定时器相连,但那样的话我们就必须知道精确的输出阻抗。

 

为了解决这一问题,这里我们采用一个推挽输出级与一个串联电阻。该电阻来提供输出阻抗。以下是这个 ESR 测量电路的实物图。

 

 

电容 ESR 的计算

从分压器等式我们可以得到以下等式:


ESR = (VCAP • ROUTPUT) / (VOUTPUT – VCAP)

 

其中 ESR 为电容内阻,VCAP 为电容间的信号电压(于 CAP+点测得),ROUTPUT 为功率级的输出电阻(47Ω),VOUTPUT 为 A 点测得的输出信号电压。